電站鍋爐水冷壁管疲勞裂紋的分析與解決措施

李勇軍

（廣西特種設備檢驗研究院 南寧 530219）

電站鍋爐水冷壁管疲勞裂紋的分析與解決措施

李勇軍

（廣西特種設備檢驗研究院 南寧 530219）

通過力學性能、掃描電鏡等分析，找出了某電站鍋爐的水冷壁管外表面疲勞裂紋產(chǎn)生的原因：鍋爐運行期間，水冷壁的吹灰器疏水不夠徹底，這種情況下含有大量水分的蒸汽沖刷管子，而管子的外表面溫度很高，便產(chǎn)生了疲勞裂紋。其產(chǎn)生的機理：管子溫度周期性的快速變化將產(chǎn)生過大的應力，引起金屬熱疲勞，并提出了相應的解決方案和預防措施。

水冷壁管 疲勞裂紋 疏水

水冷壁作為電站鍋爐的主要受熱面，通常布置于爐膛四周，通過吸收爐膛輻射熱而將工質轉換為高溫高壓的汽水混合物，同時起著保護爐墻和穩(wěn)定燃燒的作用。2013年10月，對某單位一臺 DG1004/18.5 II1 型電站鍋爐內部檢驗時，發(fā)現(xiàn)了60余根的水冷壁管疲勞裂紋，裂紋分布區(qū)域如圖1所示。該種缺陷具有出現(xiàn)部位較為隱蔽、不易進行無損探傷普查的特點，且裂紋發(fā)展十分迅速，通常在壁厚沒有減薄的情況下造成構件性破裂，危害極大。經(jīng)過較為全面的分析，找出了疲勞裂紋產(chǎn)生的原因是運行期間吹灰器疏水不徹底，吹掃時蒸汽攜帶大量水分沖刷高溫的水冷壁管而產(chǎn)生疲勞裂紋，并提出了相應的解決方案和預防措施。

1 基本情況

型號為DG1004/18.5 II1的亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛四角切圓、全鋼懸吊電站鍋爐，投運時間2004年12月，作為主力爐對一臺300MW發(fā)電機提供蒸汽，投運至今累積運行約65000h。每年進行小修，大修約4年進行一次。

圖1 裂紋分布圖

基本技術參數(shù)：額定工作壓力18.43MPa，設計出口溫度543℃，設計燃料為高碳煤+貧煤。水冷壁管規(guī)格為φ63.5×7.5、材質SA-210C（相當于國內25MnG）、最小許用壁厚5.91、計算壓力20.34MPa、計算溫度410℃、許用應力94.3MPa。

2 檢查及試驗

2.1 宏觀檢查

裂紋最初發(fā)現(xiàn)于左側水冷壁標高41.6m的后側吹灰器輻射區(qū)域，經(jīng)磁粉探傷確認后全爐膛普查，最終發(fā)現(xiàn)8個區(qū)域共60余根水冷壁管的向火側外表面存在裂紋，長度范圍為0.5～1.2m、周向范圍約為1/3周。裂紋主要呈環(huán)向密集分布，中間有細小的分支裂紋斷續(xù)連接，管子表面無明顯腐蝕，減薄情況不一，如圖2、圖3所示，且管子內壁無明顯水垢（割管檢查）。存在裂紋的8個區(qū)域均處于爐膛吹灰器輻射區(qū)域（即以吹灰器的吹灰孔為中心，半徑1.0～2.0m范圍內），分別位于標高17.3m、41.6m兩個層面上。

2.2 化學成分

對試樣1（表面有裂紋管子）的分析結果見表1，結果表明化學成分符合SA-210C的要求。

圖2 原始形態(tài)

圖3 磁粉探傷形態(tài)

表1 化學成分分析結果（%）

2.3 金相組織

為更好的觀察裂紋的微觀形態(tài)，在試樣1上制取縱向截面的金相試樣，機械拋光、4%硝酸酒精腐蝕后在光學顯微鏡下觀察。如圖4、5、6所示，金相組織為鐵素體+珠光體，并成帶狀分布，珠光體形態(tài)完整，晶粒度8級，組織正常。宏觀金相測量最大裂紋深度2.0，主裂紋呈環(huán)向分布，由外壁向內部擴展，中間有細小裂紋斷續(xù)連接，填充有大量腐蝕產(chǎn)物，具有分叉、穿晶開裂、中途停頓、增寬及尖端較鈍的特征。

圖4 向火側內壁（200倍）

圖5 向火側外壁（200倍）

圖6 裂紋尖端形態(tài)（500倍）

2.4 吹灰器運行數(shù)據(jù)

吹灰系統(tǒng)汽源取自后屏過熱器進口集箱，在BMCR工況下壓力為18.82 MPa、437℃，而后進行減溫減壓。爐膛分5層標高布置有57臺IR-3D型吹灰器（單旋轉噴嘴的短行程回轉式），吹掃半徑2000、角度360°、行程267。根據(jù)運行工藝，要求每班應進行一次爐膛吹灰或根據(jù)爐膛結焦情況調整次數(shù)，壓力2.0MPa，溫度 300℃，吹掃時間60s。

2.5 力學性能試驗

根據(jù)GB/T 228進行全壁厚試樣縱向室溫拉伸試驗，結果見表2，試樣1為表面有裂紋管子，試樣2為表面無裂紋管子?？梢娫嚇?由于存在表面裂紋，其屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均不滿足要求。從試樣的宏觀斷口可以判斷，斷口處塑性變形不明顯，因裂紋而產(chǎn)生的應力集中使得試樣呈現(xiàn)脆斷傾向，如圖7所示。

圖7 試驗1拉伸斷裂后形態(tài)

表2 力學性能數(shù)據(jù)

2.6 掃描電鏡分析

由Zeiss EVO18掃描電鏡（SEM）觀察可見，斷口表面有明顯的疲勞輝紋，裂紋內填充有大量腐蝕產(chǎn)物，具有分叉、穿晶、中途停頓及尖端較鈍的特征。半定量分析結果為：主要成分為O、Fe，如圖8、圖9所示。

圖8 掃描電鏡（SEM）圖

3 結果分析

1）水冷壁管的化學成分、金相組織及力學性能（無裂紋試樣）均符合相關要求，裂紋的產(chǎn)生與材質無關。

2）根據(jù)宏觀、微觀檢查情況判定裂紋為典型的低周疲勞裂紋，具體分析如下：

圖9 裂紋尖端形態(tài)（1500倍）

由于出現(xiàn)疲勞裂紋的8個區(qū)域均處于爐膛吹灰器輻射區(qū)域，其中標高17.3m為低于燃燒器3m左右的低熱負荷區(qū)域，而標高41.6m為高于燃燒器12m左右的高熱負荷區(qū)域?？梢姶祷移鲙笳羝麥囟缺囟ㄟh低于操作要求的300℃，沖刷水冷壁管時產(chǎn)生的溫差應力更大，是產(chǎn)生疲勞裂紋的原因。

機理：高熱負荷部位的水冷壁管長期處于高溫狀態(tài)下（400℃～450℃），吹灰管道疏水門前集聚大量疏水，吹灰器鄰近管道也有積水，若疏水不徹底，爐膛吹灰時壓力2.0MPa、溫度 300℃吹灰蒸汽攜帶大量疏水噴射進入爐膛，沖刷鄰近水冷壁管。最大溫差達到150℃左右（實際表面溫差更高），由于水的動能相對較大，吹灰蒸汽帶水對水冷壁管的沖擊和吹損相當嚴重。管子金屬因溫度周期性快速變化，產(chǎn)生過大的應力，引起熱疲勞裂紋的出現(xiàn)，即金屬熱疲勞。受冷激的金屬表面會產(chǎn)生多個方向的急速收縮（以軸向為主）。因此，經(jīng)過反復多次的吹灰冷熱循環(huán)，裂紋不斷由水冷壁外壁向內部擴展，直至失穩(wěn)斷裂。若溫度變化很快且溫差很大，就會形成熱沖擊，甚至不到10次這樣的冷熱循環(huán)沖擊就會產(chǎn)生表面裂紋［1］，即低周疲勞裂紋。

4 解決方案及措施

1）由于疲勞裂紋不允許進行打磨補焊，應將裂紋管段進行更換。

2）徹底排查吹灰器進氣門的嚴密性，因為爐膛的吹灰過程接近1h，避免蒸汽過長時間形成定點沖刷。日常巡檢時，應注意吹灰結束后是否有漏汽現(xiàn)象。

3）檢查吹灰器的管道傾斜角度是否合理，包括母管和支管，能否把疏水全部排出，是否有容易積水的管路等。尤其是標高17.3m、41.6m兩個層面吹灰器管路。

4）疏水的產(chǎn)生有兩種原因，一是吹灰后管道內的蒸汽自然冷卻凝結而成；二是吹灰時，高溫蒸汽通入冷管道后，凝結而成。因此，吹灰前應進行徹底疏水和充分預熱，使每一臺吹灰器的進汽門前的管道溫度達到300℃以上，提高吹灰蒸汽的過熱度，以減少凝結水的產(chǎn)生。

［1］ 李彥林.鍋爐熱管失效分析及預防［M］.北京：中國電力出版社，2005.

Analysis and Resolution of Fatigue Crack of Boiler Water Wall Tubes in the Power Station

Li Yongjun
（Guangxi Special Equipment Inspection Institute Nanning 530219）

The outer surface of a power plant boiler water wall tube fatigue crack appeared， analytical methods: mechanical properties， SEM， etc.， were used to identify the causes of fatigue cracks that water wall soot blower hydrophobic was not complete during boiler operation. In that case， the vapor contained a lot of water scour the tube， while the high temperature of the outer surface of the tube would give rise to fatigue cracks. The mechanism of which produces: pipes rapid changes in temperature will produce periodic excessive stress， causing the metal thermal fatigue， and the corresponding solutions and preventive measures.

Water wall tubes Fatigue crack Hydrophobic

X933.2

B

1673-257X（2015）04-58-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.014

李勇軍（1977～），男 ，工程師，現(xiàn)任廣西特檢院鍋爐檢驗師，主要從事電站鍋爐檢驗檢測工作。

2014-11-27）